華 美 計 畫 結 案 報 告 子計畫3：界定塑材強度之影響因子 計畫主持人：孫書煌、黃有弟 研究生：莊智強

具體執行內容 透過模流分析軟體之模擬分析現有鏡框 產品斷裂之可能原因及改善對策 分析模型共包括兩種 G616 T784

問題點分析 (1) 兩項產品皆曾發生產品在廠內正常，但 送至客戶端後斷裂的情況 G616為全鏡框，斷裂發生在鼻梁處。 T784為半鏡框，斷裂發生在上緣約中 間處

問題點分析 (2) 產品射出後經一段時間才產生斷裂的情 況，一般均是由於射出過程中，產品內 有較大之剪切應力存在之故。此等應力 會轉變成為殘留應力，經過一段時間後 ，當外在環境產生變化，殘留應力逐漸 釋放即容易造成產品斷裂

執行步驟

G616分析

網格模型 網格總數 : 696,337 節點總數 : 990,007

澆道配置 豎澆道f3.5～6mm 澆口f3.5mm 冷澆道f6.6mm

冷卻水路配置 A: 48mm B: 70mm C:147mm C B 冷卻水路f8mm A

模座配置 C B A A : 150mm B : 230mm C : 135mm 材質 : NAK80

材料參數（EMS-TR90） 模流分析軟體內部材料資料庫建議值

原始成型參數值 機台編號： 16 型號： G616 種類： 框 材質： PA12 射出條件 壓力[kg(Mpa)] 速度(%) 時間(S) 位置 (mm) 溫度 (℃) 射出一 85(117.6) 10 11 一段 260 射出二 20 二段 射出三 40 28 三段 255 射出四 12 35 四段 250 保壓一 50(69.2) 0.5 水路溫度 常溫 保壓二 80(110.7) 4 模具溫度 80 開模 2.3 模具材質 NAK80 冷卻時間: 12.0 射出體積(cm^3) 11.6361

軟體內加工參數設定 流率設定 射壓設定 保壓設定 機台參數

分析結果：流動波前 25% 50% 75% 100%

分析結果：縫合線 96.6% 89.5%

最大剪切應力建議值 模流分析軟體內的材料資料庫中有對各種塑膠材料的 最高剪切應力值做出建議，其中建議PA12材料的最 高剪切應力不要超過0.5Mpa

分析結果：充填分析之剪切應力分佈(1) 由分佈圖發現鼻梁處因接近澆口位置，在該 處剪切應力值最大，因此造成該處容易斷裂

分析結果：充填分析之剪切應力分佈(2) 以0.5Mpa為門檻，過濾出剪切應力超過0.5Mpa之發生區域及所 佔體積百分比 由分佈圖看出，除靠近澆口的鼻梁處外，另一側下方鏡框亦是 高剪切應力分佈區 超過0.5Mpa區域所佔體積百分比為3.629%

尋求改善條件 透過各種不同成型參數的模流分析，試 圖尋找出能降低現有剪切應力值的較佳 成型參數 選定進行調整之成型參數包括： 模具溫度 射出速速 塑料溫度

不同模具溫度對剪切應力造成之影響 由結果看出模具 溫度對剪切應力 沒有任何影響 模具溫度 高應力所佔百分比(%) 最高溫度(℃) 70 3.629 291 80 (原始參數) 90 3.636

不同射出速度對剪切應力造成之影響 提高射速可以使得 高剪切應力體積百 分比降低 低射速時，因剪切 效應劇烈，導致成 品溫度升高 射出時間比例 高應力所佔百分比(%) 最高溫度(℃) 0.6 2.910 300 1.0 (原始參數) 3.629 291 1.3 2.706 295

不同塑料溫度對剪切應力造成之影響 提高料溫可降低剪 切應力 由圖中發現250℃ 的料溫剪切應力並 不高，但後續分析 發現其溫升較高 塑料溫度 高應力所佔百分比(%) 最高溫度(℃) 250 2.985 284 260 (原始參數) 3.629 290 270 3.406 291

較大範圍塑料溫度之分析 此材料建議最高加工溫度為300 ℃ 塑料溫度(℃) 高應力所佔 百分比(%) 最高溫度 平均溫度 最大範圍溫度 剪切昇溫 240 4.613 272 218 32 245 4.113 278 226 33 249 3.296 283 231 282 250 2.985 284 233 34 255 2.574 290 239 35 260 3.629 291 279 19 270 3.406 302 238 287 17 280 2.933 311 244 295 15 2.772 319 251 305 300 2.657 322 256 313 13 此材料建議最高加工溫度為300 ℃

I II III 綜合比較

綜合比較討論 第I區 位於材料建議的加工條件範圍以外。塑料呈現較黏的狀態，導致剪切溫升現象也較劇烈，此區之加工溫度不適當 第II區 介於材料的建議加工溫度範圍附近，剪切溫升值有劇烈變化，此區之加工溫度不適當 第III區 材料建議的加工條件範圍以內，剪切及應力溫升值均為最低，此區之加工溫度適當

結論 測試料溫、射速、模溫三個因素對剪切應力造成的影響，結果發現模溫的改變對剪切應力幾乎沒有影響，因此可以排除此項因素 提高射速可以降低剪切應力，但高射速也會因塑料間的劇烈摩擦而造成塑料溫升，而太高的料溫會造成塑料燒焦 分析結果顯示將料溫提升至280 ℃或290 ℃可有效降低剪切應力

T784分析

案例資料 產品介紹 塑膠材料 原始成型條件 主要厚度：3 mm 長度：127.2 mm 寬度：16 mm 高度：38 mm 單一模穴體積：1.49 c.c. 塑膠材料 PC \ TEIJIN \ Panlite L-1225Y 原始成型條件 充填時間：1.6 sec 塑料溫度：275 ℃ 模具溫度：80 ℃ 成型壓力：100 %

成品厚度 2.64 mm ~ 4.86 mm 2.3 mm 1.19 mm 1.96 mm ~ 2.5 mm

成品實體 比較實體與電腦圖檔後發現，因應模具上的滑塊運動，上圖藍 色箭頭處電腦圖檔的厚度為 3 mm，但實體的厚度僅有 1.5 mm 3D圖 澆口位置 公模具 比較實體與電腦圖檔後發現，因應模具上的滑塊運動，上圖藍 色箭頭處電腦圖檔的厚度為 3 mm，但實體的厚度僅有 1.5 mm

模型修正 因應實際成品形狀及厚度，進行電腦圖 檔修正，以符合實際成品 進膠位置 原始電腦圖檔模型 修正後模型

網格模型 網格數量 電腦計算所需時間 電腦規格 網格總數 ≒ 398,835 節點總數 ≒ 155,490 流動\保壓分析 ＝ 6小時 冷卻分析 ＝ 11 分鐘 翹曲分析 ＝ 2 分鐘 電腦規格 Intel(R) Pentium(R) Dual CPU E2180 @ 2.00GHz RAM 3.00 GB

材料特性 (1)

材料特性 (2) 一般觀察材料特性包括： 黏度(viscosity) PvT關係(PvT Relationship) 流體流動阻力的度量。黏度越高，流動阻力越大，流動越困難。對一般熱塑性塑料，黏度是塑料成分、溫度、壓力及剪切率的函數。熱塑性塑料的黏度一般隨溫度升高而降低。另外，剪切率越高，黏度會下降 PvT關係(PvT Relationship) 塑料的比容或密度是相狀態、溫度、壓力等的函數，可利用狀態方程式或pvT方程式加以定量化。一但模式參數由實驗取得，代入此類半經驗方程式中即可求得塑料在某一溫度壓力下的比容或密度值

材料特性 (3)

材料特性 (4) 比熱(Heat Capacity) 熱傳導係數(Thermal Conduction) 欲將單位塑料溫度提高一度所需的熱量，是塑料溫度容易改變與否的度量。比熱越高，塑料溫度越不容易變化，反之亦然 熱傳導係數(Thermal Conduction) 塑料熱傳導特性的度量。熱傳導係數越高，熱傳導效果越佳。熱傳導係數及比熱攸關塑料之熱傳、冷卻性質，亦影響到冷卻時間長短

加工條件設定 參數設定 機台設定 流率設定 射壓設定 保壓設定

流道佈置 冷澆道 R3 mm (半圓) 豎澆道 f3 ~ 8 mm 冷澆道 f17.5 mm 澆口 (方形) 長 2mm 寬 1.5mm

冷卻水路配置 冷卻水路 f 9 mm 冷卻時間 20 sec 水溫 80 ℃

參數變更分析 對下列設計或參數值變更後進行分析， 以瞭解其在降低剪切應力上之效益 1. 射出速度，增加 20 % 2. 射出壓力，減少 20 % 3. 保壓壓力，減少 20 % 4. 模具溫度，增加 20 ℃ 5. 塑料溫度，增加 45 ℃ 6. 全參數調整，同時變更上述五項參數 7. 水路位置調整 8. 成品厚度調整

1. 提高射出速度分析結果比較 一樣以0.5MPa作為比較門檻 原始設計 變更設計 稍有改善，但效益不明顯

2. 降低射出壓力分析結果比較 原始設計 變更設計 幾乎沒有影響 42

3. 降低保壓壓力分析結果比較 原始設計 變更設計 幾乎沒有影響 43

4. 增加模具溫度分析結果比較 原始設計 變更設計 幾乎沒有影響 44

5. 增加塑料溫度分析結果比較 原始設計 變更設計 在五項參數調整分析中效果最顯著 45

6. 變更五項參數分析結果比較 原始設計 變更設計 改善效果明顯 46

水路設計變更 原始設計 變更設計 變更設計包括下方水路上移 38 mm及由兩側向 中間移動 15 mm，以使水路更接近成品

7. 水路變更分析結果比較 原始設計 變更設計 幾乎沒有影響 48

厚度設計變更 (1) 厚度增加 1 mm 厚度增加 0.5 mm 現有成品設計 變更設計2 拉平厚度落差 變更設計1 變更設計3

厚度設計變更 (2) 共進行三個變更設計分析，包括： 8-1 變更設計 1 8-2 變更設計 2 8-3 變更設計 3 銜接鼻梁處之鏡框前緣增加厚度 0.5 mm 8-2 變更設計 2 鏡框上緣中間部位厚度較薄處增加厚度 1 mm 8-3 變更設計 3 拉平鏡框上緣原有之厚度落差

8-1. 厚度變更設計1分析結果比較 原始設計 變更設計 改善效果不明顯 51

8-2. 厚度變更設計2分析結果比較 原始設計 變更設計 具有不錯的改善效果 52

8-3. 厚度變更設計3分析結果比較 原始設計 變更設計 厚度變更方案中改善效果最好 53

結論 (1) 在五項參數的調整中以提高塑料溫度的改善效果最明 顯 增加射速雖稍有改善，但效果不顯著，其他三項參數 ，包括降低射出壓力、降低保壓壓力、及提高模溫均 對降低剪切應力沒有幫助 同時改變五項參數亦有明顯之改善，但其改善效果幾 乎全來自於塑料溫度的提高 軟體資料庫建議PC的最高工作溫度為320℃，目前成 型的塑料溫度為275℃，建議在這個範圍內可再提高 塑料溫度，將有助於降低成品內的剪切應力

結論 (2) 水路位置的改變沒有改善效果 就學理上來說，增加厚度對降低剪切應力的幫助最大 。成型參數的調整雖亦能改善，但效果均不如增加厚 度來得明顯 三種厚度變更方式中以第三種方式效果最好

結論 (3) 此模型的原始圖檔在上緣中間部位原有3mm的厚度 及一個明顯段差，後因模具上的滑塊運動而削薄成為 1.5mm，厚度減少，高度差亦同時縮小 若成品設計許可，建議增加落差部位較薄部分之厚度 ，拉平落差。如此之變更一來可增加較薄處之厚度， 二來亦同時消除高度落差，對降低剪切應力將有最顯 著之幫助